Тема: Архитектура современных ЭВМ.

Архитектура современных ЭВМ — это функционально взаимо- увязанная система аппаратно-программных средств, доступных пользователю для решения его задач и реализации принципов ор- ганизации процессов обработки данных.

Базовый принцип построения всех современных ЭВМ — прог-раммное управление. Современные ЭВМ по принципу организа-ции вычислительного процесса подразделяются на ЭВМ параллель- ного и последовательного действия.

ЭВМ параллельного действия содержат два и более процессора и подразделяются:

■ на матричные ЭВМ, содержащие несколько простых одинако-вых процессоров, выполняющих одну и ту же команду, но над разными потоками операндов (одиночный поток команд и мно- жественный поток данных);

■ конвейерные ЭВМ, состоящие из цепочки последовательно сое-диненных однотипных процессоров; информация на выходе одного является входной для другого и т.д. (множественный по- ток команд и одиночный поток данных).

Архитектура с параллельной организацией вычислительного процесса обеспечивает высокую производительность и надеж-ность, однако из-за сложности построения и трудностей програм- мирования обычно применяется в специализированных суперЭВМ единичного производства.

ЭВМ последовательного действия с классической архитекту- рой, описанной фон Нейманом, как правило, состоят из одного цен- трального процессора (ЦП).

Связь ЦП с функциональными узлами и устройствами ЭВМ осу-ществляется по системной магистрали, доступ к которой происхо- дит в режиме разделения времени.

Системная магистраль — это сгруппированные в шины линии связи: обмена данными и командами, передачи адресов, сигналов управления и контроля.

Шина — это комплект из трех типов линий разной разрядности и производительности: управления, адреса и данных. Основной ха-рактеристикой любой шины является полоса пропускания (ско- рость передачи информации), которая определяется ее разрядно- стью и частотой обмена.

Шина данных служит для передачи команд и данных в обоих на- правлениях и является основной шиной, количество разрядов (ли- ний связи) которой определяет разрядность системной магистрали, т. е. скорость и эффективность информационного обмена между всеми устройствами ЭВМ.

Шина адреса служит для передачи и определения адреса устрой-ства, с которым в данный момент необходимо обменяться инфор- мацией, и может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина адреса обусловливает максимально возможный объем до-ступной оперативной памяти.

Шина управления — вспомогательная шина, предназначенная для синхронизации работы процессора (и других активных устройств) с памятью и устройствами ввода-вывода.

Основу ЭВМ образуют центральный процессор и системная па- мять. Централышй процессор в настоящее время — это сверхболь-шая интегральная схема с микропрограммным управлением.

Системная память, которую следует рассматривать в контек-сте выполнения процессором его задач, включает в себя сверхопе- ративное запоминающее устройство, кэш-память, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устрой- ство.

Сверхоперативное запоминающее устройство представлено несколькими регистрами в ЦП с очень малым време- нем доступа (единицы наносекунд), в которых хранятся данные и микрокоманды, непосредственно используемые в работе АДУ и УУ процессора.

Кэш-память, предназначенная для ускорения выборки ко- манд и данных, работает на опережающую загрузку команд и дан-

ных, которые вскоре могут потребоваться процессору при выпол- нении текущей программы.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для загрузки и текущего хранения фрагментов опе- рационной системы, пользовательских программ, их переменных и результатов работы.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) предназначено для записи и постоянного хранения конфигурации, различных настроек, тестовых программ и программ начальной за- грузки ЭВМ.

Внешние запоминающие устройства (на гибких и жестких магнитных дисках, магнитных лентах, оптических дисках и т.д.) находятся на последнем уровне иерархии памяти и предназ-начены для долговременного хранения программ и информации.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ.

Любая программа современных ЭВМ формируется из системы команд, которая содержит следующие основные группы:

■ команды пересылки данных и загрузки адресов;

■ арифметические команды и команды сравнения;

■ логические команды;

■ команды сдвига;

■ команды ввода-вывода и т. д.

В каждой команде имеются поле кода операции и поле адресов операндов.

Тема: Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии (рис. 4.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Рис. 4.1. Магистрально-модульное устройство компьютера

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2^I , где I - разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:

N = 2³⁶ = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.