Классическая архитектура компьютера. Принцип Фон-Неймана.

Джон Фон-Нейман выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ и предложил его структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. По Нейману основными блоками являются устройства управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), обычно они объединяются в центральный процессор (память, внешняя память, устройства ввода и вывода).

Архитектура ЭВМ по Фон-Нейману:

Внешнее запоминающее устройство

Процессор АЛУ УУ

Оперативно-запоминающее устройство

Устройство ввода

Устройство вывода

Направление потоков информации.

Управляющие сигналы от процессора к устройствам ЭВМ.

Принципы Фон-Неймана:

• Принцин двоичного кодирования – вся информация, поступающая в ЭВМ кодируется в двоичной системе счисления.

• Принцип программного управления – программа состоит из набора команд, которые управляются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности.

• Принцип однородности памяти – программа и данные хранятся в одной и той же памяти, что обеспечивает оперативную перенастройку машины с одной задачи на другую без изменений в её схеме и делает машину универсальным вычислительным инструментом; инструкции, входящие в программу закодированы в виде чисел и это даёт возможность прочесть инструкцию как число, переслать в АЛУ (арифметико-логическое устройство), произвести с ней некоторые операции и вернуть в оперативную память, таким образом при выполнении программы может происходить её модификация либо формирование новой программы.

• Принцип адресности – структурно-оперативная память состоит из пронумерованных ячеек. УУ (устройству управления) в произвольный момент времени доступна любая ячейка, отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к хранящимся в них значениях можно было бы впоследствии к ним обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоения имён.

В современном компьютере к этим принципам следует добавить:

• Принцип открытой архитектуры – ЭВМ состоит из отдельных блоков, совмещающихся друг с другом через стандартные разъёмы (порты, слоты).

• Принцип совместимости «сверху вниз» - новые модели поддерживают и расширяют возможности более старых.

13.Архитектура современного компьютера: магистрально-модульный принцип.

Центральная часть компьютера – это системный блок, он не является единым целым, в нём находится ряд взаимосвязанных устройств. Основной элемент – это материнская (системная) плата, на которой смонтированы все важнейшие микросхемы; важнейшая часть материнской платы – это центральный процессор – микросхема, в которой происходит исполнение программ компьютером.

Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам, что способствовало уменьшению размеров функциональных узлов ЭВМ и создало предпосылки для существенного роста быстродействия процесса. Возникли противоречия между высокой скоростью внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Процессор, руководивший работой внешних устройств значительную часть времени был вынужден простаивать в ожидании информации от внешних устройств, что существенно снижало бы эффективность работы ЭВМ в целом; для решения этой проблемы возникла идея освобождения центрального процессора от функций обмена и передачи этих функций специальным электронным схемам управления работой внешних устройств – «контроллерам». Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин 3-его и 4-его поколений.

Контроллер можно рассматиривать как специализированный процессор, управляюий работой «вверенного» ему внешнего устройства по специальным программам обмена. Таким образом, при необходимости произвести обмен, центральный процессор выдаёт задание контроллеру. Дальнеший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия процессора.

Для связи между отдельными узлами ЭВМ используется общая шина ( магистраль).

Шина – это схема, обеспечивающая передачу данных между процессором и другими устройствами. Характеристики: разрядность (бит) – максимальное количество одновременно передаваемых бит информации; частота (герц) – количестко циклов срабатывания шины в единицу времени.

При обслуживании оперативной памяти перед шиной встают 2 задачи: поиск нужного участка памяти и обмен информацией с найденным участком.

Шина состоит из 3-ёх частей: шина данных, адреса и управления.

ПРОЦЕССОР

ПАМЯТЬ

ВИДЕОПАМЯТЬ

Данных

Шина Адреса

Управления

УСТРОЙСТВО ВВОДА

УСТРОЙСТВО ВЫВОДА

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

К

К

К

Управление процессами другими устройствами.

Передача информации.

Шина данных: по ней данные передаются между разными устройствами ( например, из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору на обработку, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память на хранение). Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Шина адреса только определяет куда передаются данные, а процессор производит выбор устройства или ячейки памяти куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных.

Каждое устройство или ячейка памяти имеет свой адрес, он и передаётся по адресной шине, причём сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам.

Разрядность шины адреса определяет объём адресуемой памяти (адресного пространства), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти можно рассчитать по формуле: N=2^I, где I – разрядность шины адреса, N – количество ячеек. Чем больше разрядность, тем к большим ячейкам можно обратиться.

Шина управления регулирует процесс обмена информацией, по ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информации по магистрали. Сигналы управления показывают какие операции (считывание или запись) нужно производить.

Описанную схему легко дополнять новыми устройствами – это свойство называется открытостью архитектуры. Для пользователя это означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера.

Ещё одной важной особенностью структуры современных компьютеров является возможность реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. Это стало возможным по скольку процесор перестал быть центром конструкции. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается данными непосредственно с ОЗУ, без участия процессора, называется прямым процессором. Для его реализации необходим специальный контроллер.