Общая архитектура компьютера
Архитектурой называют прежде всего систему составляющих компьютер устройств и взаимосвязей между ними, а также совокупность правил, по которым происходит это взаимодействие. К архитектуре компьютера относятся характеристики отдельных устройств компьютера, структура и способы доступа к памяти и к внешним устройствам, система машинных команд компьютера, форматы данных, используемые в машинных командах, и др
Главными устройствами являются процессор и память. Именно взаимодействием этих компонентов определяется возможность компьютера производить вычисления. Линии связи, по которым данные передаются из процессора в память и обратно, называются шиной. Обычно это электрический провод (сейчас появились оптоволоконные провода). Линий связи в компьютере много, и они выполняют множество разных функций. Принято делить линии связи всей шины на шину данных, шину адреса, шину управления и шину питания. Кроме того, процессор и память должны быть связаны проводами со многими другими устройствами компьютера.
В современных компьютерах одна и та же шина используется для обмена данными как между процессором и памятью, так и между процессором и всеми портами ввода-вывода. Такая шина называется общей шиной. Это означает, что если по общей шине идет сигнал, то его, в принципе, могут прочесть все подключенные к шине устройства. Однако реально технология обмена информацией устроена таким образом, что получает сигнал именно то устройство, для которого он предназначается. Как это получается, мы попытаемся объяснить далее.
Следует отметить, что эта простая однозвенная схема часто бывает усложнена. Реально часть устройств подключается к общей шине не непосредственно, а через одну из вспомогательных шин, которая, в свою очередь, присоединяется к общей шине. Такие шины называются локальными шинами. Однако это не меняет принципиальной схемы работы компьютера.
Внутримашинным системным интерфейсом называется вся система связей и сопряжений узлов и блоков компьютера между собой. Интерфейс включает совокупность электрических проводов, электронных микросхем сопряжения с компонентами компьютера, соглашений о передаче и преобразовании сигналов. Интерфейс с общей шиной называется односвязным. При многосвязном интерфейсе устройства связаны друг с другом проводами (магистралями).
Компоненты устройства, назначением которых является взаимодействие с другими устройствами, называются его интерфейсом, а правила, которым интерфейс обязан удовлетворять, — протоколами. Иногда термин «интерфейс» трактуется более широко, включая также и протоколы.
Для устройств одинакового предназначения может существовать несколько различных протоколов, но можно объединять в одно целое только те устройства, которые работают по одинаковым протоколам.
Современные компьютеры конструируются на основе идеологии открытых систем, согласно которой компьютер составляется из нескольких достаточно независимых устройств, выполняющих определенную функцию. Отдельные устройства, составляющие компьютер, могут иметь различную конструкцию и выпускаться различными фирмами. Однако они должны удовлетворять определенным стандартам взаимодействия друг с другом. Эти стандарты относятся как к техническим характеристикам устройств (например, величина напряжения на выходных контактах, форма и количество контактов в разъеме), так и к содержанию сигналов, которыми обмениваются эти устройства.
Сигнал по каналам связи внутри компьютера передастся в цифровой форме: по проводам передаются импульсы, которые кодируют нули и единицы.
Способ передачи данных, при котором по каналу связи одновременно передается одна двоичная цифра (т.е. 1 бит данных), называется последовательным. При параллельном способе передачи данных сигналы одновременно идут по нескольким проводам, которые в совокупности образуют один параллельный канал связи. Количество проводов в канале определяет его разрядность. Объем одновременно передаваемых по каналу данных зависит от разрядности канала. Параллельная передача данных является более быстродействующей, чем последовательная
По способу передачи данных во времени различают синхронную и асинхронную передачи. При синхронной передаче данных процесс передачи синхронизируется с тактовыми сигналами, которые вырабатывает тактовый генератор. Интервал передачи определяется наибольшим временем задержки в системе передачи данных и максимальным временем преобразования сигнала.
Асинхронная передача данных происходит при получении специальных сообщений, которые сигнализируют о готовности внешнего устройства к обмену и о этапах самого процесса передачи (эти сигналы посылаются процессором и характеризуют начало обмена, конец обмена и контроль правильности передачи данных). При такой организации обмена автоматически устанавливается рациональное соотношение между скоростью передачи данных и величинами задержки сигналов в канале связи.
Существует множество различных типов периферийных устройств. Если ограничиться персональным компьютером, то в его состав могут входить устройства ручного ввода — клавиатура и мышь, устройства графического ввода — сканер, устройства вывода — монитор, принтер, графопостроитель (плоттер), внешние накопители данных — жесткий диск (винчестер), дисковод для гибкого диска (флоппи-диска), CD-ROM, звуковые колонки, сетевой выход. В более мощных компьютерах используются специализированные внешние устройства.
Устройства компьютера подключены к шине не непосредственно, а через промежуточные устройства, которые называются контроллерами или адаптерами.
Связано это с несколькими обстоятельствами:
— скорость выполнения операций в разных устройствах разная, и при обмене требуется где-то накапливать данные;
— характеристики сигналов в устройствах компьютера и общей шине различны, и поэтому необходимо преобразование сигнала из одного вида в другой;
— контроллер берет на себя некоторые стандартные операции процесса обмена данными (такие, как опрос готовности устройства или контроль правильности передачи), освобождая от этих функций центральный процессор.
Фактически контроллеры и адаптеры имеют свой процессор, который зачастую можно даже программировать, и свою память и представляют собой специализированный микрокомпьютер.
Интерфейс отдельного устройства включает в себя весь комплекс средств, предназначенных для обеспечения связи конкретного устройства компьютера с другими устройствами: соединительные каналы, контроллеры или адаптеры, алгоритмы, обеспечивающие управление устройством. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность устройства. Интерфейс стандартизирован согласно протоколам, описывающим устройства именно этого функционального предназначения. Стандартизация касается как технических параметров устройства, так и команд управления устройством. Схемы управления обычно помещаются внутри.
Многосвязный интерфейс используется в больших и супербольших компьютерах, когда отдельные устройства связываются друг с другом по нескольким независимым каналам связи (магистралям). Чаще всего каждое устройство снабжается одной выходной магистралью для выдачи данных и несколькими входными для приема данных от других устройств. При неисправности какой-либо магистрали или обслуживающих ее устройств оказывается отключенным только одно периферийное устройство. Управляющая аппаратура компьютера автоматически определяет неисправный узел и выбирает исправные и незанятые магистрали.
Вся работа компьютера сводится к организации потоков данных и операциям обработки информации в процессоре, посколькуy только процессор определяет, когда, кому и какое сообщение должно быть передано. Прочие устройства могут только получать управляющие сигналы и выполнять нужные действия. В свою очередь, процессор извлекает эту информацию из компьютерной программы и данных, используемых программой. Для того чтобы он мог это сделать, и то и другое должно находиться в оперативной памяти компьютера. Даже если первоначально эти данные хранились на внешнем носителе, прежде чем они могут быть использованы компьютером (процессором!), они должны быть переписаны в оперативную память.
Основные узлы компьютера
Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.
К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:
- Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
- Системная плата, ее еще называют «материнской»;
- Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
- Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
- Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
- Разъемы для подключаемых устройств.
Классический вариант архитектуры компьютера
Первоначальный состав архитектуры компьютера был предложен ученым Нейманом, который был известным математиком. Он изложил основные принципы конструирования персональных компьютеров, учитывая их логическую структуру. Эта методология, которую предложил Нейман, взята за основу классической архитектуры персонального компьютера. В его состав должны входить следующие основные элементы:
- логико-арифметический блок;
- управленческий блок;
- блок устройства внешней памяти;
- блок оперативной памяти;
- блок ввода-вывода данных.
В соответствии с этой структурой, должен быть соблюден определенный порядок работы элементов компьютера. Изначально производится загрузка информации в память компьютера из программы, что выполняется. Для ввода данных используются внешние устройства компьютера. После этого блок управления переносит эти данные из блока памяти в блок обработки информации. Обработка происходит с помощью различных элементов компьютера.
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.
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.
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.
Цифровой логический уровень
Цифровой логический уровень по сути представляет собой набор логических функций, которые взаимодействую между собой для выполнения большей задачи. Вся работа этого уровня заключается в двух базовых концепциях: вентили и булева алгебра. Сначала я расскажу про них, а дальше про логические схемы и то как они используются при разработке, и в заключении, то что из себя представляет память и как она реализуется.
Вентиль (рис. 1.0) является устройством, которое принимает входные сигналы и выдает выходные, сам он реализован на транзисторах (об их работе я рассказывать не буду). Вентили используются на данном уровне как «строительный» материал, чтобы представлять базовые логические операции, а дальше уже идет их комбинирование для реализации тех или иных схем, то есть смысл данного уровня заключается в построении переиспользуемых схем, а не о работе вентилей (и транзисторов); дальше уже на основе этих схем могут быть построены более сложные и узкоспециализированные схемы, например, целые модули памяти, различная логика, например, для того как будут взаимодействовать компоненты CPU на уровне микроархитектуры и тд.
Рисунок 1.0. Изображение вентилей.
Таблица 1.0. Таблица истинности для основных операций.
| A | B | И | И-НЕ | ИЛИ | ИЛИ-НЕ | ИСК-ИЛИ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
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
