Структура вычислительной машины и принцип ее работы
Компьютер – это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.
Основные блоки: процессор, память, периферийные устройства.
Вычислительная машина должна выполнять конечное число физически реализуемых базовых операций над содержимым слов памяти. Современные однопроцессорные ЭВМ имеют архитектуру, предложенную фон Нейманом, и называются фоннеймановскими машинами. Принцип организации их работы заключается в следующем:
1. Память машины представляет собой линейную последовательность пронумерованных слов или ячеек. Номер ячейки называется её адресом.
2. Одни и те же ячейки памяти могут содержать исходные данные, полученные результаты или команды машины.
3. Команды выполняются последовательно в соответствии с порядком, определяемым программой.
Самым массовым типом ЭВМ в наше время является персональный компьютер. Персональный компьютер – это малогабаритная ЭВМ, предназначенная для индивидуальной работы пользователя, оснащенная удобным для пользователя (дружественным) программным обеспечением. Практически все модели современных персональных компьютеров имеют магистральную архитектуру (рис. 9).
Рис. 9. Магистральная архитектура ЭВМ
Архитектура ЭВМ – это общее описание структуры и функций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ. Архитектура не включает в себя описание деталей технического и физического устройства компьютера.
Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу для обработки данных на определенный интервал времени. В основу архитектуры положен магистрально-модульный принцип.
Связь между устройствами компьютера осуществляется через общую шину, или магистраль. Общая шина – это кабель, состоящий из множества проводов. По одной группе проводов (шина данных) передаются данные, по другой (шина адреса) – адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть общей шины – шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.). Количество одновременно передаваемых по шине битов называется разрядностью шины. Каждому биту соответствует отдельный провод. Данные, передаваемые от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождаются адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки в оперативной памяти или адрес (номер) периферийного устройства.
К общей шине могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие. Возможно увеличение оперативной памяти, замена микропроцессора на более совершенный. Аппаратное подключение периферийного устройства к общей шине осуществляется через специальный блок – контроллер, или адаптер. Программное управление работой устройства производится через программу (драйвер), которая входит в состав операционной системы. Следовательно, для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо использовать соответствующий контроллер и установить в операционной системе соответствующий драйвер.
В современных персональных компьютерах в качестве процессоров используются микропроцессоры. Микропроцессор – это сверхбольшая интегральная схема, которая реализует функции процессора. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле путем применения сложной микроэлектронной технологии.
Возможности компьютера как универсального устройства преобразования данных определяются системой машинных команд процессора. Отдельная команда определяет отдельную операцию компьютера. Из команд составляются программы управления работой компьютера. Типичный набор операций, выполняемых вычислительной машиной, состоит из следующих операций:
– операции для проверки различных свойств элементов данных;
– операции для доступа к различным частям элементов данных и их изменения;
– операции управления устройствами ввода-вывода;
– операции для управления последовательностью выполнения операций.
Процессор состоит из двух частей: управляющего устройства и арифметическо-логического устройства. Управляющее устройство определяет последовательность выполнения команд и занимается поиском их в памяти. Арифметически-логическое устройство выполняет команды, передаваемые управляющим устройством. Процессор имеет несколько специальных ячеек памяти, называемых регистрами.
У каждого регистра есть определенное назначение. В регистр, называемый счетчиком команд, помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в которой хранится очередная исполняемая команда программы. Во время ее исполнения эта команда помещается в регистр команд. Есть группа регистров общего назначения, в которые помещаются исходные данные и результаты выполнения команды. Полученный результат может быть переписан из регистра в оперативную память.
Каждый процессор имеет следующие характеристики:
1. Тактовая частота. Работа всех устройств процессора синхронизируется генератором тактовой частоты, который вырабатывает периодические импульсы. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах.
При выполнении программы вычислительная машина выполняет простой циклический алгоритм, изображенный на рис. 11.
Рис. 11. Цикл выполнения программы
Работа компьютера заключается в выборе данных из памяти в процессор, модификации их содержимого и записи обратно в память.
Связь компьютера с внешним миром осуществляется с помощью периферийных устройств. Различаются устройства ввода, или чтения, и устройства вывода, или записи. Устройства ввода (клавиатура, мышь и др.) передают данные в память машины, устройства вывода передают данные из памяти машины на внешние устройства (монитор, принтер и др.).
Устройства ввода–вывода
Контроллер – специализированный процессор, предназначенный для управления внешними устройствами.
Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.
Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами.
Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферийные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен. Большая часть периферийных устройств подсоединяется очень просто – снаружи, через разъемы на корпусе системного блока к выходам соответствующих контроллеров – портам.
Монитор – различаются размером, диагональ экрана в дюймах и разрешающей способностью – чем больше экран, тем лучше изображение. Появились плоские экраны на жидких кристаллах. Монитор подключается к компьютеру через плату, называемую видеокартой.
Принтер – печатающее устройство. Различают: матричные, лазерные, струйные. Цветные и черно–белые. Различаются по скорости печати. Создание твердых копий.
Клавиатура, мышь – устройства ввода информации.
Жесткий диск или винчестер (HDD) характеризуется объемом – чем больше, тем лучше. Быстродействием – время поиска информации на диске должно быть меньше, а скорость передачи данных больше. Представляет собой алюминиевую пластину, покрытую магнитным слоем.
Дисководы для флоппи-дисков (FDD) – для считывания информации с дискет. Дискета должна быть отформатирована с помощью специальной программы, размечающей намагниченные поверхности.
В зависимости от объема дисков на них создается различное число концентрических дорожек, на которых в дальнейшем размещаются данные. Дорожки разбиты на сектора (кластеры) и при форматировании определяется, какие из них имеют дефекты. При форматировании диска с уже записанными данными вся ранее записанная информация стирается.
Сейчас продаются отформатированные дискеты.
Дисковод CD-ROM – для считывания информации с лазерных дисков с помощью лазерного луча. Существуют пишущие и не пишущие CD-ROM.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Типовые вычислительные структуры
Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем изначально зависят от их структуры — способа соединения компонентов. В общем случае существует два типа структур вычислительных машин и два типа структур вычислительных систем.
Структуры вычислительных машин. В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.
Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская вычислительная машина (см. рис. 1.1). В ней между взаимодействующими устройствами (процессором, памятью, устройством ввода-вывода) имеются непосредственные связи. Достоинством такой архитектуры можно считать возможность улучшения состава и характеристик отдельных связей. Недостаток — вычислительные машины с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.
В варианте архитектуры с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Структура вычислительной машины на основе общей шины
Наличие общей шины существенно упрощает реализацию вычислительной машины, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в персональных компьютерах.
Недостаток шинной архитектуры: в каждый момент времени передавать данные по шине может только одно устройство. Причем основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью.
В целом следует отметить, что при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы шинная структура в чистом виде оказывается неэффективной. Более распространена структура с иерархией шин. При такой структуре кроме магистральной шины может обеспечиваться непосредственная связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и памятью. Могут существовать дополнительные шины, объединяющие однотипные устройства ввода-вывода, с последующим выходом на магистральную шину. Эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.
Структуры вычислительных систем. Понятие «вычислительная система» предполагает наличие нескольких центров обработки данных: процессоров или вычислительных машин, при объединении которых используется один из двух подходов: общая память и распределенная система.
В вычислительных системах с общей памятью (рис. 1.4) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы через общую шину. Достоинство такой структуры: обмен данными между процессорами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти. Вычислительные системы с общей памятью называют мультипроцессорными компьютерами. Основные достоинства мультипроцессора:
· высокая производительность, которая достигается за счет параллельной работы нескольких процессоров;
· отказоустойчивость, т. е. способность к продолжению работы при отказах отдельных процессоров.
Рис. 1.4. Структура вычислительной системы с общей памятью
В распределенной структуре вычислительной системы общая основная память отсутствует, каждый процессор или вычислительная машина обладает собственной основной и внешней памятью (рис. 1.5). Обмен данными между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями.
Рис. 1.5. Структура распределенной вычислительной системы
Подобное построение вычислительной системы снимает ограничения, присущие для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между процессорами или машинами.
Более эффективна распределенная система, когда отдельные машины объединяются в кластер. В этом случае они могут иметь общую внешнюю (дисковую) память (рис. 1.6), что ускоряет обращение процессоров к данным.
Рис. 1.6. Структура кластера
Все компьютеры кластера работают под управлением специального программного обеспечения, синхронизирующего их работу. Взаимодействие компьютеров осуществляется через общую внешнюю память.
Кластеры применяются для повышения надежности и производительности вычислительных систем.
Архитектура системы команд
Архитектура системы команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая «видна» программисту.
Современные технологии программирования ориентированы на языки высокого уровня, главная цель которых — облегчить процесс программирования. Однако сложные операторы, характерные для высокоуровневых языков, существенно отличаются от простых машинных операций, реализуемых в большинстве вычислительных машин. Проблема получила название семантического разрыва, а ее следствием становится недостаточно эффективное выполнение программ на вычислительной машине. Пытаясь преодолеть семантический разрыв, разработчики вычислительных машин в настоящее время выбирают один из трех подходов и, соответственно, одну из трех архитектур системы команд:
· архитектуру c полным набором команд — CISC (Complex Instruction Set Computer);
· архитектуру с сокращенным набором команд — RISC (Reduced Instruction Set Computer);
· архитектуру с командными словами сверхбольшой длины — VLIW (Very Long Instruction Word).
В вычислительных машинах с CISC-архитектурой проблема семантического разрыва решается за счет расширения системы команд, семантически аналогичных операторам языков высокого уровня.
Для CISC-процессоров характерно:
· сравнительно небольшое число регистров общего назначения (от 8 до16);
· большое количество машинных команд;
· разнообразные способы методов адресации операндов;
· большое количество форматов команд различной разрядности;
· наличие команд, при выполнении которых обработка совмещается с обращением к памяти.
Признанным лидером в разработке микропроцессоров c CISC-архитектурой считалась компания Intel (семейство процессоров Ix86). Сложность архитектуры семейства Ix86 стала главным фактором, ограничивавшим производительность процессоров на ее основе.
Для процессоров с RISC-архитектурой характерно:
· большое число регистров общего назначения (32 и более);
· упрощенный набор команд фиксированной длины и фиксированного формата;
· раздельное выполнение команд обработки данных и команд работы с памятью;
· аппаратная реализация выполнения команд.
Реализация сложных команд за счет последовательности из простых, но быстрых RISC-команд оказывается не менее эффективной, чем аппаратный вариант сложных команд в CISC-архитектуре.
В последних микропроцессорах фирмы Intel и AMD широко используются идеи, свойственные RISC-архитектуре, так что многие различия между CISC и RISC постепенно стираются.
Концепция VLIW базируется на RISC-архитектуре, где несколько простых RISC-команд объединяются в одну сверхдлинную команду и выполняются параллельно. Появление параллелизма вычислений позволяет применять VLIW в мультипроцессорных вычислительных системах
4. Различные классы, классификация и архитектура вычислительных сетей
Компьютерная сеть (вычислительная сеть) — система, обеспечивающая обмен данными между вычислительными устройствами (компьютеры, серверы, маршрутизаторы и другое оборудование). Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления [ уточнить ] , как правило, — различные виды электрических сигналов, световых сигналов или электромагнитного излучения [1] .
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
