Основные виды архитектуры ЭВМ

Основные виды архитектуры ЭВМ

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их ар­хитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором об­щем уровне, включающее описание пользовательских воз­можностей программиро­вания, системы команд, системы адресации, органи­зации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информа­ционные связи и взаимное соединение ос­новных логических узлов компью­тера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечи­вает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компью­тера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространены следующие архитек­турные решения.

1. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно уст­ройство управления (УУ), через которое проходит поток команд. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры отно­сится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функцио­нальные блоки здесь свя­заны между собой общей шиной, называе­мой также системной магистралью. Совокуп­ность проводов магистрали раз­деляется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управле­ния. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера че­рез специальные контроллеры — устрой­ство управ­ления, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредствен­ного управле­ния функционирова­нием данного оборудования.

2. Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере несколь­ких про­цессо­ров означает, что параллельно может быть организовано много потоков дан­ных и много потоков команд (параллельно могут обрабаты­ваться не­сколько фраг­ментов одной задачи). Структура такой машины имеет общую опе­ративную па­мять и несколько процессоров. Такая архи­тек­тура применяется для ре­шения задач с огромным объемом вычислений.

3. Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько про­цессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оператив­ной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Отдельный компьютер в много­машинной системе имеет классическую архитектуру и такая система приме­няется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вы­числи­тельной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

В современных машинах часто присутствуют элементы различных ти­пов архи­тектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые ради­кально отличаются от рассмотренных.

Классификация ВМ

Многообразие свойств и характеристик порождает различные виды класси­фика­ции вычислительных машин. Их делят: по этапам развития, по принципу дей­ствия, по назначению, по производительности и функциональ­ным возможностям, по усло­виям эксплуатации, по количеству процессоров и т.д. Четких границ между клас­сами компьютеров не существует.По мере со­вершенствования структур и техно­логии производства, появляются новые классы компьютеров (и границы суще­ст­вую­щих классов существенно изменя­ются).

1. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналого­вые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с ин­формацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физиче­ской величины(механиче­ского воздействия, перемещения, электрического напряжения и др.). ЦВМ – вычислитель­ные ма­шины дис­кретного действия, работают с информа­цией, представленной в дискрет­ной, а точнее, в цифровой форме. ГВМ – вычисли­тельные машины ком­бинирован­ного действия, работают с информацией, представ­ленной и в цифро­вой, и в анало­говой форме (совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ). Их ис­пользу­ют в управлении сложными техни­ческими ком­плексами.

2. По назначениювычислительные машины делятся на три группы: универсальные (об­щего на­зна­чения), проблемно-ориентированные и специа­лизированные.

Универ­сальные вычислительные машины предназначены для решения самых разных задач: эконо­ми­ческих, математических, информационных и других, от­ли­чающихся сложно­стью ал­горитмов и большим объемом обраба­тываемых данных.

Характерными чертами универсальных машин являются:

· разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, сим­воль­ных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их пред­став­ления;

· обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логи­че­ских, так и специальных;

· большая емкость оперативной памяти;

· развитая организация системы ввода-вывода информации.

Проблемно-ориентированные вычислительные машины служат для ре­шения более узкого круга за­дач, связанных, как правило, с управлением тех­нологическими объ­ектами; реги­стра­цией, накоплением и обработкой относи­тельно небольших объемов данных; выпол­нением расчетов по относительно несложным алго­ритмам. Они обладают ограни­ченными по сравнению с уни­версальными машинами аппаратными и программ­ными ре­сурсами. К про­блемно-ориентированным вычислительным машинам можно отнести, в част­но­сти, всевоз­можные уп­равляющие вычисли­тельные системы (АСУТП, САПР).

Специализированные вычислительные машины используются для ре­шения узкого круга задач или реа­лизации строго определенной группы функций. Такая их узкая ориентация по­зволяет четко специализировать струк­туру, существенно снизить их слож­ность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным машинам можно отнести, например, программируе­мые микро­про­цессоры специального назначения, выполняющие логические функции управления от­дельными не­сложными техническими устройствами, агре­гатами и процессами.

3. По размерам и функциональным возможностям вычислитель­ные машины можно разделить на сверх­большие (суперЭВМ) – многопроцес­сор­ные и (или) многомашинные ком­плексы, которые используются для ре­шения сложных и больших научных задач — в управле­нии, разведке, в каче­стве цен­трализованных хранилищ информации и т.д. Большие (мэйн­фреймы) — пред­назначены для решения широкого класса на­учно-техниче­ских задач. Малые (конструктивно выполненные в одной стойке). Сверхма­лые (микро­ЭВМ).

Заме­тим, что иногда классификация осуществляется и по иным призна­кам: например, эле­ментной базе, конструктивному исполнению и др.

Свойства ЭВМ лю­бого типа оцени­вается с помощью их технико-эко­номиче­ских характеристик, основ­ными из ко­торых являются: опера­ционные ресурсы(ха­ракте­ризуются количеством реализуемых опе­раций, формами представ­ления дан­ных, а также спо­собами адресации), емкость памяти (оп­ределяется общим количе­ством ячеек памяти для хра­не­ния инфор­мации), быстро­дей­ствие(опреде­ляется числом коротких операций типа сложе­ния, выполняе­мых за 1 сек), надеж­ность(сред­нее время работы между двумя от­казами),стоимость(это суммар­ные за­траты на при­обретение аппа­рат­ных и базовых про­граммных средств ЭВМ, а также за­траты на эксплуатацию).

3 Архитектура и структура ПК

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Существующие типы архитектур компьютеров

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.3.2.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко. Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

Изучая компьютерные устройства, принято говорить о двух схожих, но в то же время разных понятиях: архитектура и структура компьютера.

Под архитектурой компьютера понимается совокупность принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности компьютера при решении соответствующих классов задач. Архитектура компьютера определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя [1].

Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка, хранение информации, обмен информацией с внешними объектами [2].

Дополнительные функции обеспечивают эффективные режимы работы компьютера, диалог с пользователем, высокую надежность.

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:

— принцип программного управления — программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности;

— принцип однородности памяти — программы и иные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными;

— принцип адресности — основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек [1].

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (рисунок 1).

Рисунок 1 — Архитектура компьютера

Идея открытости архитектуры заключается в том, что пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению [3].

Помимо классической архитектуры ЭВМ, существуют еще следующие:

— многомашинная вычислительная система;

— архитектура с параллельными процессорами.

Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов (конкретные блоки, узлы, связи и т.д.) [1].

Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации (рисунок 2).

Рисунок 2 — Структура компьютера

ПК включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и монитор. Однако для расширения функциональных возможностей ПЭВМ к ней можно подключать различные дополнительные периферийные устройства: печатающие устройства (принтеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства ввода информации (сканеры, графические планшеты – дигитайзеры), графопостроители и др.

Эти устройства подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы), которые обычно размещаются на задней стенке системного блока. Дополнительные устройства помешаются при наличии свободных гнезд на материнской плате непосредственно в системный блок, например, модем для обмена информацией с другими ПК через телефонную сеть. Как правило, ПК имеют модульную структуру. Все модули связаны общей шиной (системной магистралью).

Таким образом, в связи с тем, что персональный компьютер является в настоящее время обязательным атрибутом в любом современном офисе и основной технической базой информационной технологии, пользователи должны понимать основные различия между архитектурой и структурой ПК.

О режиме коллективного или общего доступа

Кроме того, открытая архитектура компьютера с появлением Интернета получила «второе дыхание». Точнее, каждое устройство, подключенное к ПК, стало возможным использовать в режиме коллективного доступа.

У каждого ПК в Интернете есть свой собственный адрес, а у каждого устройства ввода-вывода тоже есть адрес. Таким образом, комбинируя адрес ПК и адрес устройства ввода-вывода, можно обеспечить доступ к любому открытому для коллективного использования устройству.

Пользователям следует помнить об открытой архитектуре компьютера, и внимательно настраивать доступ к устройствам ввода-вывода. Например, любой жесткий диск или любая папка на жестком диске может быть открыта для доступа извне ПК, используя закладку «Доступ» в окне «Свойства»:

Аналогично настраивается доступ и к другим устройствам (принтерам, сканерам и т.п.).

Конечно, предположить, что кто-то попытается вывести данные на Ваш принтер – это из области фантастики, так как забрать свои распечатки такой удаленный пользователь вряд ли сможет. Но вот получить доступ к Вашим жестким дискам для «кражи» данных – это вполне возможно.

Кроме того, общий доступ делает Ваши данные доступными другим пользователям, а это могут быть, например, Ваши персональные данные, пароли и т.п., что совсем не нужно знать другим.

Наконец, программы-вирусы легче попадают на ПК, где открыт доступ к устройствам ввода-вывода, особенно к жестким дискам. Поэтому следует тщательно проверять, нет ли случайного или несанкционированного доступа к Вашим устройствам.

Под случайным доступом можно понимать, например, ситуацию, когда обслуживающий Вас системный программист установил такой доступ для себя, но потом забыл его отключить после выполнения системных работ.

Архитектура компьютеров

Данный урок проводится для обучающихся 1 курса специальности 40.02.01. Право и организация социального обеспечения в рамках общеобразовательной подготовки.

Урок включён в тему 3.1. Архитектура компьютеров раздела №3. Средства ИКТ.

На изучение темы «Архитектура компьютеров» отводится 8 часов.

В этой разработке содержатся рекомендации по проведению второго урока данной темы в виде практического занятия.

Выбор темы занятия определяется рядом факторов.

Во-первых, эта тема позволяет не только обобщить имеющиеся у обучающихся знания, но и реализовать их практически.

Во-вторых, знания, полученные обучающимися на предыдущем уроке, облегчают им процесс усвоения практических навыков.

Практическое занятие проводится по подгруппам. Каждой подгруппе обучающихся представляются одинаковые виды заданий.

Тема «Архитектура компьютеров».

Вид учебного занятия: практическое занятие

Тип урока: урок творческого проекта.

На уроке используются методы: исследовательский, творческий проект, практический метод обучения, проблемно-поисковый метод обучения.

Цель урока: Урок призван способствовать выработке у обучающихся умений сборки персонального компьютера, определения характеристик отдельных компонентов ПК, умения работать в команде.

Задачи урока:

Обучающая: систематизация знаний об аппаратном составе компьютера, формирование представления о блочном принципе архитектуры компьютера.

Развивающая: развитие умений обучающихся обобщать полученные знания, проводить анализ, сравнения, делать выводы. развитие самостоятельности обучающихся через привлечение их к созданию проекта компьютера, необходимого заказчику; развитие таких общих компетенций обучающихся, как:

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий.

Воспитательная: Воспитание творческого отношения к учебной деятельности, организация проблемно-поисковой работы в группах; закрепление навыков работы в группе и умения обосновывать свою точку зрения.

Оборудование урока:

системные блоки ПК;

кроссворд «Архитектура компьютеров»;

таблица для создания проекта;

прайс-лист компонентов персонального компьютера.

1. Организационный момент: приветствие, отметка отсутствующих в журнале. (2 мин)

2. Постановка цели и задач урока. (1 мин)

3. Актуализация опорных знаний. Повторение материала. Опрос. (8 мин)

4. Создание и защита творческого проекта. (23 мин)

5. Подведение итогов урока. (1 мин.)

6. Выставление оценок. (2 мин.)

6. Домашнее задание. (1 мин)

7.Рефлексия. (2 мин.)

Организационный момент.

Приветствие, отметка отсутствующих в журнале.

Постановка цели и задач урока.

Цель нашего сегодняшнего занятия – закрепить полученные знания по теме «Архитектура компьютеров» практическими навыками.

Сегодня на уроке нам предстоит ответить на следующие вопросы:

Какие характеристики устройств компьютера необходимо знать при его приобретении?

Как правильно определить состав компьютера в соответствии с вашими потребностями и возможностями?

3. Актуализация опорных знаний. Повторение материала. Опрос.

Форма организации деятельности обучающихся:

Обучающиеся делятся на группы. Одни обучающиеся получают кроссворды и разгадывают их. Другие обучающиеся осуществляют ремонт системного блока ПК. Третьи презентуют подготовленное домашнее задание в виде рекламного ролика (для первой подгруппы) или презентации (для второй подгруппы).

Функции и основные виды деятельности преподавателя на данном этапе:

Деятельность преподавателя направлена на формирование универсальных учебных действий и общих компетенций.

На прошлом уроке мы начали изучение темы «Архитектура компьютеров» и выяснили, из каких именно компонентов состоит ПК. Сегодня мы с вами закрепим полученные знания практическими навыками.

Работать на уроке вы будете в группах, каждый её участник в конце урока получит свою оценку. Каждая группа составляет одну фирму по ремонту и сборке компьютеров на заказ. Вашим домашним заданием было: определить состав каждой группы, название фирмы, её логотип, рекламу и должности каждого сотрудника. Есть ли какие-либо вопросы по домашнему заданию? Давайте посмотрим, что из этого получилось.

Работа каждой фирмы протекает примерно следующим образом: с утра для консультантов ещё нет заказов и можно заняться чем-то полезным и интересным. Например, разгадыванием кроссворда.

А вот программистам всегда найдётся работа. Им оставили два системных блока на ремонт: в каждом необходимо заменить жёсткий диск, модуль оперативной памяти и почистить вентилятор, который охлаждает процессор.

А вот директор и замдиректора обеспокоены отсутствием клиентов и поэтому привлекают наших гостей в свою фирму рекламой.

После проведения рекламы обеими фирмами подводятся итоги опроса. Используется взаимопроверка. Обучающиеся обмениваются кроссвордами и системными блоками и проверяют качество выполненных работ фирм – конкурентов.

Создание и защита творческого проекта.

4.1. Создание проекта:

Форма организации деятельности обучающихся:

Обучающиеся должны организовать поиск нужной информации и распределить роли в группе, просчитать стоимость компьютера.

Обучающиеся открывают файл под названием «Прайс-лист» и моделируют сборку компьютера.

Функции и основные виды деятельности преподавателя на данном этапе:

Преподаватель объясняет цель работы каждой фирмы и вид конечного результата проекта, координирует деятельность обучающихся, отвечает на возникшие вопросы.

Поступает заказ: заказчик хочет купить компьютер, но точно не знает его конфигурацию, зато он знает, зачем ему этот компьютер нужен: кому-то только для печати документа, кому-то для печати и для прослушивания компакт-дисков, а кому-то и для просмотра видеофильмов. Надо заказчику помочь.

Компьютер для обучающегося техникума. 1 подгруппа, 1 фирма

Компьютер для работы юриста.1 подгруппа, 2 фирма

Компьютер для организатора праздников. 2 подгруппа, 1 фирма

Компьютер для домохозяйки. 2 подгруппа, 2 фирма

Каждая группа открывает прайс-лист, открывает программу Калькулятор и моделирует сборку компьютера. Модель оформляется в виде таблицы: